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磁耦合谐振式无线电能传输系统建模与分析.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.13M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    L一系统设计 巾国集成电路 China Integrated Circu托 ClC 磁耦合谐振式无线电能 传输系统建模与分析 骆彦廷，杨拥民，陈仲生 (国防科学技术大学机电工程与自动化学院装备 综合保障技术重点实验室，湖南长沙，410073) 摘要：磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输距离中等、传输效率高、能穿过非磁导性障碍物传输电能 等优点，使其有望取代电池为物联网中的传感器节点无线供电。本文通过研究磁耦合谐振式无线电能传 输机理，构建了传输系统的集总参数电路模型，对各模型参数进行了理论计算，并根据模型对不同传输距 离下系统的传输效率与负载功率进行了分析，得出了不同耦合状态下系统获得最大负载功率的条件。 关键词：磁耦合谐振；无线电能传输；电路模型；最大负载功率 Abstract： Wireless power tmsfer Via coupled magnetic resonaJlces which h鹊the advalltages of moderate tr肌smission distaIlce，high t啪smission emciency，can咖sfer powerthrougll non—magnetic conductive material etc makes it possible to power sensors of the Intemet of things wirelessly instead 0f using batteries． In t}lis p印er， tlle lumped parameter circuit model 0f the wireless power transfer system Via coupled mag阻etic resonances was buih by inVestigating tIle principle of tlle而reless power nnsfer， the par锄eters of the model were calculated tIleoretically，and the tmsIIlission e蚯ciency and load power 0f the system were analyzed based on the modeL卟e key to obtain ma】【imum load power of the traJlsmission system waS found under d滩brent working condition． Key wo州k magnetic coupling resonance；wireless power transfer；circuit model ma】【imum load power 1 引言 物联网无线传感器节点多采用电池供电，这不 但降低了其在恶劣环境下的工作可靠性，还会因更 换大量电池造成环境污染，如采用无线电能传输技 术为这些传感器节点供电，将可以彻底摆脱电源线 和电池的束缚。2007年，麻省理工大学的M撕n Soliacic教授等人利用电磁耦合谐振原理在2 m范 围内将一个60 w灯泡点亮，传输效率达40％，首次 实现了传输距离8倍于线圈半径的中等距离无线电 能传输【”。这种磁耦合谐振式无线电能传输技术与以 往的无线电能传输技术相比具有以下本质的不同： 与电磁感应式无线电能传输技术相比，磁耦合谐振 式无线电能传输技术融合了谐振技术，突破了电磁 感应式无线电能传输距离仅在几厘米以内的限制， 将传输距离拓展到数米㈣；与微波式无线电能传输 技术相比，磁耦合谐振式无线电能传输技术利用的 是非辐射性磁耦合谐振原理，可穿过非磁导性障碍 物传输电能，且只有相同谐振频率的耦合体才能接 收到能量，克服了微波式无线电能传输不能绕过障 万方数据
    碍物、微波在空气中损耗大、对人体有害等不足M。 国内外众多学者对磁耦合谐振式无线电能传输 技术进行了积极探索，【2，5】采用耦合模理论来描述 磁耦合谐振式无线电能传输过程，直接对物体间的 能量耦合进行分析，给出了能量交换条件。但耦合 模理论的振荡模参数测量非常困难，且该理论只适 用于微小扰动情况，其应用场合受限。[8，9]采用建 立等效电路模型的方法来描述磁耦合谐振式无线电 能传输系统，分析了系统传输效率与线圈尺寸、距离 等之间的关系，得到传输效率的表示式，进一步分析 了系统最大传输效率条件，但其建立的等效模型未 考虑电源内阻的影响，且缺乏对系统负载功率的分 调谐电容 调谐电容 发射线圈 接收线圈 负载 图1磁耦合谐振式无线电能传输系统基本结构 图2系统等效电路模型 析。 图2中以为电源电压，磊为电源内阻，cl、G分 本文通过构建集总参数电路模型来描述磁耦合 别为发射、接收线圈调谐电容，厶、厶分别为发射、接 谐振式无线电能传输系统，各模型参数的物理意义 收线圈等效电感，R。、是分别为发射、接收线圈等效 明确并容易测量，且在建模时考虑了电源内阻的影 电阻，五为负载阻抗，M为两线圈之间的互感。 响，使模型更接近于实际系统。根据建立的模型，进 设电源频率为M，发射、接收回路的阻抗分别为 一步对不同传输距离下系统的传输效率与负载功率 展开了分析，得出了不同耦合状态下使系统负载功 率最大的条件，为开展磁耦合谐振式无线电能传输 的实验研究奠定了理论基础。 zl_Rl+驯屿+志 z：姐：+驯乩：+志 ㈩ 考虑两线圈之间的耦合关系，对图2所示电路 2磁耦合谐振式 无线电能传输系统建模 列KVL得 f U=j·Z·0(t，施z Io=j 2220∞埘l (2) 磁耦合谐振式无线电能传输系统的基本结构如 图1所示，包括高频电源、发射线圈、接收线圈、调谐 为 电容、负载几部分。高频电源与发射线圈相连，通电 后在发射线圈周围形成交变磁场，接收线圈置于发 射线圈产生的磁场中，通过调谐电容使发射回路与 接收回路具有相同的谐振频率，接收线圈在发射线 圈产生的磁场中耦合到能量并发生谐振，使能量源 源不断地从发射线圈流向接收线圈，再提供给负载 使用，从而实现电能的无线传输。 由于线圈在高频下的寄生电阻不可忽略，且考 虑到电源存在内阻以及发射线圈与接收线圈间的耦 合关系，建立该系统的等效电路模型如图2所示。 万方数据 由式(1)、(2)可求出发射、接收回路电流分别 ． z’以 ‘Zl Z2+(∞M)_ j mMUs ：一 ， 、 zlz2+(∞M) 发射回路的等效输人阻抗乙寺=半， 乙_R·。乩·+志 将式(1)、(2)、(3)带入可得
    (4) 电源输出功率B和负载接收的功率R分别为 +一R2+州n，L2+古 E刿案卜 h叫嚣l 叼2甍2臂 ㈦ 3磁耦合谐振式 无线电能传输系统模型参数计算 本文分析的磁耦合谐振式无线电能传输系统实 物如图3所示，其发射、接收线圈的半径均为 r=300mm，匝数均为Ⅳ-4，导线半径为a=1．6mm， 调谐电容C=o．93nF；电源电压Us=100V，电源频率 ，=0．5—1．5MHz，电源内阻磊=50Q；负载阻抗 zL=50Q。为了简化分析，使发射、接收线圈同心安 装。 图3磁耦合谐振式无线电能传输系统实物 查阅资料可知，两空心圆线圈之间互感的计算 公式【91为 万方数据 L=Ⅳ2r肛。[1n(8r，g)一幻 (8) 其中p。为真空中磁导率，g为线圈截面的几何 平均距离，其计算公式为g=七(2 a+2 a×jv)， b0．2236，D为两线圈之间的距离。 高频条件下，空心线圈等效电阻主要包括线圈 欧姆损耗电阻与辐射损耗电阻m【¨1，对于磁耦合谐 振式无线电能传输系统，其最佳工作频率一般为 1．50 MHz，此时有m>>RD，即可忽略辐射损耗，则 线圈等效电阻为 R*脏＼／等等 其中盯为铜的电导率。 发射、接收线圈固有频率为 ．厂：—乓 。2仃何 (9) (10) 、。 根据已知条件，由式(7)。(10)可计算出该系 统的模型参数值见表1。 表1系统模型参数值 参数 数值 参数 数值 线圈半径，． 线圈匝数Ⅳ 导线半径口 300mm 负载电阻凰 电源内阻磊 电源电压魄 1．6mm 4 50 Q 50 Q 100 V 调谐电容C O．93 nF 电源频率， O．5．1．5 MHz 发射、接收线 圈等效电感工 27．2U H 发射、接收线圈 固有频率石、正 l MHz 4磁耦合谐振式 无线电能传输系统模型分析 4．1不同传输距离下系统的负载功率与 传输效率分析 在进行磁耦合谐振式无线电能传输时，需要供 电的设备可能在一定的距离范围内移动，使传输距 离发生改变。为了研究传输距离变化对无线电能传 输的影响，设置距离D变化范围为150 mm一 (7) 400 mm，其它模型参数见表1。利用MAⅡ。AB软件 计算并画出负载功率R的变化图如图4所示。当传
    输距离D<200mm时，负载功率PL在电源频率 ，=1MHz(线圈的固有频率为五=伽lMHz)时很小， 而在lMHz附近的两个频率点五、^处R获得最大 值。这是因为当两线圈距离很近时，由于相互间的 距离D的增大，q的变化趋势与R的变化趋势相 似：在系统过耦合状态下，有两个谐振频率点使传输 效率11最大；在系统临界耦合状态下，只有一个谐 振频率点使传输效率1最大。不同的是：在系统欠 耦合作用使得线圈回路的谐振频率不再等于单个线 耦合状态下，传输效率1 I闰M№随着的增大而缓慢 圈的固有频率l MHz，而是分裂成为1 MHz附近的 两个谐振频率点工、五，所以当电源频率，=1MHz 时，两线圈未谐振，PL值较小；当．厂=正或^时，两线 圈发生谐振耦合，PL值最大。此时系统的耦合状态 可称为过耦合。 减小，在D一400mm处1 l，-lMH：一80．1％，仍有较 大的传输效率；而对比图4可知，负载功率 PL I闰M№随着D增大而迅速减小，在D一400岫 时，PL l闰M。：只有3．3 w，负载功率很小。 60 40 ； 壬 斟 蒸 20 g 0 150 1 量 c 褂O．5 装 謇 芒 O 150 ■●■■■_■■ 源频率 f，MHz 0 8 0 6 0 4 0 2 5 传输距离D／mm 图4负载功率PL随传输距离D变化图 图5传输效n率随传输距禺D变化图 在磁耦合谐振式无线电能传输技术的实际应用 如图4所示，当传输距离时D一200mm，负载功 率R只在，=lMHz处获得最大值，辟49．57w。分析 可知，随着传输距离D增大，两线圈间的耦合作用 时，如果要求系统的负载功率与传输效率较大，而传 输距离不限，可通过设计使传输系统工作在过耦合 或者临界耦合状态；如果要求系统的传输效率较高， 减弱，使得线圈回路的谐振频率不再分裂为两个频 且传输距离较远，而对负载功率要求不大，则可通过 率点，而是等于单个线圈的固有频率1 MHz，所以当 设计使系统工作在欠耦合状态。 电源频率．厂=lMHz时，两线圈发生谐振，PL值最大。 此时系统的耦合状态可称为临界耦合。 4．2不同耦合状态下系统获得最大负载 如图4所示，当传输距离D>200mm时，总是有 功率的条件分析 兄I矧Mm>PL l，≠。M№，并且随着D的继续增大， 由前面分析可知，对应不同的传输距离，可将系 P：I，．．M。：不断减小。分析可知，在传输距离 D>200Hun后，虽然在电源频率．厂=lMHz时两线圈 发生谐振，但随着D的继续增大，两线圈间的耦合 统划分为过耦合、临界耦合与欠耦合三种状态。为了 研究不同耦合状态下系统获得最大负载功率的条 件，设置传输距离D=160mm、200mm、300mm，分别 作用进一步减弱，使得接收线圈谐振时从发射线圈 对应系统的过耦合、临界耦合、欠耦合状态，设置电 取得的能量减少，提供给负载的功率也随之减少。 源频率．厂=lMHz，发射线圈频率．‘变化范围为 此时系统的耦合状态可称为欠耦合。 传输效率q的变化情况如图5所示。随着传输 0．5 MHz—1．5 MHz，接收线圈频率．厂D变化范围为 0．5 MHz—1．5 MHz，其它模型参数见表1，利用 k●●^ ，Jk…-…：……_- 万方数据
    MArILAB计算并画出负载功率R变化情况如图6、 PL I惭删。：=14．74w。可见，当系统处于欠耦合状态 图7、图8所示。 时，要使负载获得最大功率，必须使发射线圈固有频 当传输距离时D=160mm，系统处于过耦合状 率、接收线圈固有频率与电源频率三者保持一致，即 态。图6中有两个R值最大的点，分别是P，I ．厂l=五=．厂。但系统处于欠耦合状态时的最大负载功率 ^：￡=0．7MH：：49．49w和PL I^：^：1．2MH：=48．55w，而在 PL l惭州。。=14．74w，比处于临界耦合状态时的最 一=正=卢1MHz时，R值反而较小。可见，当系统处于 过耦合状态下时，要使负载获得最大功率，必须使发 射线圈与接收线圈具有相同的固有频率，且电源频 率不等于线圈固有频率，即^=五≠^ 60 ； 二40 正 竹20 R 萎o 1 5 接收线㈦频率 f2，MHz 0．5 0 5 ． ． 发 射 缸 ，线n 额№圈M ， 40 群 51 大负载功率己I胤：舢：=48．11w要小。 15 ≥ 二10 凸_ * S 5 稻 ≤ 0 1 5 14 12 佰F 接“警恩嚣率 f2，MHz o 5 05 发自十线嘲频率 ⅨⅪY：xMw。T： f1／MHz 图8欠耦合时负载功率PL变化图(D=300m) 由以上分析可得，在不同耦合状态下系统获得 图6过耦合时负载功率PL变化图(D=160mm) 最大负载功率的条件见表2。 当传输距离D增大到200mm时，系统处于临 界耦合状态。图7中只有一个R值最大的点，即 PL l惭：，M№=48．11w。可见，当系统处于临界耦合状 态时，要使负载获得最大功率，必须使发射线圈固有 频率、接收线圈固有频率与电源频率三者一致，即 ．^=．疋=．厶 60 ； 二40 凸- 苷 S 20 瓣 S 0 1 5 接收 ∞ ∞ 加 ∞ 川幽■■●■ 5 图7临界耦合时负载功率PL变化图(D=200) 当传输距离D增大到300mm时，系统处于欠 耦合状态。图8中只有一个PL值最大的点，即 万方数据 表2不同耦合状态下系统获得最大负载功率条件 组号 状态 条件 l 过耦合 {。=凡，{={， 或厂=五时￡最大。 (Z、五为线圈固有 频率附近的两个频率点) 2 临界耦合 彳=Z=厂时置最大 3 欠耦合 石=以=厂时罡最大， 但置I欠耦合<罡lI临界耦合 5结论 本文建立了磁耦合谐振式无线电能传输系统的 集总参数电路模型，对各模型参数进行了理论计算， 并根据建立的模型，分析了不同传输距离下系统的 传输效率与负载功率，进一步研究了在不同耦合状 态下使系统负载功率最大的条件，得到以下结论：
    巾国集成电路 China Integra七ed CircuIt 宦E璐 (1)随着发射线圈与接收线圈距离的增大，磁耦合 147(1)：37—43 谐振式无线电能传输系统可划分为过耦合、临界耦 合与欠耦合三种耦合状态。当系统处于过耦合状态 时，系统存在两个谐振频率点；当处于临界耦合或欠 耦合状态时，系统仅有一个谐振频率点。(2)当系统 处于过耦合状态时，要使负载功率最大，必须使发 射、接收线圈固有频率一致，且电源频率不等于线圈 Emcient Wireless 【5】Aristeidis Karalis，J．D．Jo锄nopoulos，Ma五n Soljacic． Non—mdiative Mid一瑚ge Energy TI卸s蠡盯【R】．M鹬sachu∞tts：M鹪sachusetts Institute of JIkhnolo舒，2007：9一lO [6】W．C．Bmwn，卟e history 0f power t啪smission by radio waVes． IEEE Tra【Ils． Microwave Theory Tbch， 固有频率；当处于临界耦合与欠耦合状态时，要使负 1984，V01．32，1230一1242 载功率最大，必须使发射、接收线圈固有频率与电源 频率三者一致。函 参考文献 【1]Andre Kurs，Aristeidis K铷柚is，Robert MoⅡ．an，J．D． 【7]王磊．面向嵌入式故障诊断系统的磁耦合谐振 式无线功能研究咧．长沙：国防科学技术大学机电 工程与自动化学院，2011 【8】傅文珍，张波，丘东元，王伟．自谐振线圈耦合 式电能无线传输的最大效率分析与设计[J]．中国电 Joannopoulos，M撕n Soljacic．Wireless Power Transfer 机工程学报．2009，29(18)：2l一25 Via S们ngly C叫pled Magnetic Resonances【J】．Science， 【9]傅文珍．频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系 2007，317(6)：83—86 统研究【C】．北京：第三届中国高校电力电子与电力 【2】Aristeidis K嬲llis，J．D．Joann叩oulos，Marin Soljacic． 传动学术年会．2009：41—46 Wireless Non—Radiative EneEgy Transfer【C]． Massac— husetts：711le AIP Industrial Physics Fonlm，2006：4—6 【3]Shin—ichi A，Fhmihiro S，Shinki K．ConsideI．ation of contactless power st撕on 诵th selectiVe excitation to moving mbot． IEEE Tmsactions on Magnetics． 1999， 35(5)：3583—3585 【10】陈汤铭，刘保安，罗应立．电感计算手册【M】． 北京：机械工业出版社，1992：214～215 【11】金建强．基于wi％city植入器件无线电能传 输方法研究【D】． 天津：河北工业大学电气工程， 2009：28—29 [4】Boys J T， Covic G A， Green A W． Stability and 作者简介 control 0f inductively coupled power tralIIsfer systems． 骆彦廷，硕士研究生，主要从事无线电能传输技术的 【J]．IEE Proceedings：ElectIic Power Applications，2000， 研究。 上接第27页 【2】 Verification Reuse Methodology 0VerView，www． cadence．com／whitep印ers／whit—pd￡ 【6]Rodney Pesavento， Michael PriVett， A BFM Simul— ation Strategy for Veril喝SNUG，1999． 【3】M．Keating，P．Bricaud，Reuse MetlIodolog)r MaIlual， KLUWER Academic Publishers．2003． 【4】TraJlsEDA’Foundaiion Models—system LeVel Ve曲一 c撕on IP，2011，Ⅵm．tr锄seda．com． 作者简介 周萌，毕业于合肥工业大学，获工学博士学位。目前 就职于工业和信息化部软件与集成电路促进中心集 【5】intel，Using tlle Intel 80200 Verilog Bus Functional 成电路处，担任技术总监职务。主要从事IP／soc相 Model(BFM)。June 2001． 关技术与集成电路产业发展研究工作。 万方数据
    磁耦合谐振式无线电能传输系统建模与分析 作者： 骆彦廷， 杨拥民， 陈仲生 作者单位： 刊名： 英文刊名： 国防科学技术大学机电工程与自动化学院装备综合保障技术重点实验室,湖南长沙,410073 中国集成电路 China Integrated Circuit 年，卷(期)： 参考文献(11条) 1.Andre Kurs.Aristeidis Karalis.Robert Moffatt.J.D.Joannopoulos,Marin Soljacic Wireless Power Transfer via Strongly 2013,22(8) Coupled Magnetic Resonances 2007(06) 2.Aristeidis Karalis.J.D.Joannopoulos.Marin Soljacic Wireless Non-Radiative Energy Transfer 2006 3.Shin-ichi A.Fumihiro S.Shinki K Consideration of contactless power station with selective excitation to moving robot 1999(05) 4.Boys J T.Covic G A.Green A W Stability and control of inductively coupled power transfer systems 2000(01) 5.Aristeidis Karalis.J.D.Joannopoulos.Marin Soljacic Efficient Wireless Non-radiative Mid-range Energy Transfer 2007 6.W.C.Brown The history of power transmission by radio waves 1984 7.王磊 面向嵌入式故障诊断系统的磁耦合谐振式无线功能研究 2011 8.傅文珍.张波.丘东元.王伟 自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计 2009(18) 9.傅文珍 频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究 2009 10.陈汤铭.刘保安.罗应立 电感计算手册 1992 11.金建强 基于WiTricity植入器件无线电能传输方法研究 2009 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgjcdl201308008.aspx
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